Конструкция городской бесшумной ветровой турбины. Достоинства и принцип работы ветрогенератора турбинного типа

Современный кинетический ветрогенератор позволяет воспользоваться силой воздушных потоков, преобразовав ее в электричество. Для этой цели существуют заводские и самодельные модели устройств, которые применяют как в промышленности, так и в частных хозяйствах.

Мы расскажем о том, как устроены ветряки этого типа, познакомим с особенностями устройства и конструктивными вариантами. В предложенной нами статье приведены слабые и сильные стороны ветряной энергетической установки. Самостоятельные мастера у нас найдут полезные схемы и рекомендации по сборке.

В основу функционирования ветрогенератора положена трансформация кинетической энергии ветра в механическую энергию ротора, которая затем преобразуется в электроэнергию.

Принцип работы достаточно прост: вращение лопастей, закрепленных на оси устройства, приводит к круговым движениям роторгенератора, благодаря чему вырабатывается электроэнергия.

Ветроэнергетика является одной из наиболее перспективных отраслей возобновляемой энергетики. Современные конструкции позволяют экономически эффективно применять силу воздушных потоков, используя ее для выработки электричества

Получаемый нестабильный переменный ток «стекает» в контроллер, где он преобразуется в постоянное напряжение, способное зарядить батареи. Оттуда питание поступает на инвертор, где оно трансформируется в переменное напряжение с показателем 220/380 В, которое и подается потребителям.

Мощность ветрогенератора напрямую зависит от мощности потока воздуха (N), рассчитывается согласно формуле N=pSV 3 /2, где V – скорость ветра, S – рабочая площадь, p – плотность воздуха.

Устройство ветряного генератора

Различные варианты ветрогенераторов значительно отличаются друг от друга.

Подробности Опубликовано 24.09.2014 01:28

Ветровые турбины плавают в воздухе, некоторые вращаются горизонтально, другие вертикально. Некоторые из них легче чем воздух, а другие величественно интегрированы в небоскреб зданий. Разнообразие конструкций ветровых турбин вокруг нас просто захватывает дух. Везде, где дует ветер, может быть установлен ветрогенератор с уникальной конструкцией, который будет генерировать электроэнергию.

С конструкцией традиционной ветряной турбины можно ознакомится .

Ниже представлена подборка фотографий самых зрелищных и действительно амбициозных проектов ветровых турбин третьего тысячелетия.

MagLev – ветротурбина на магнитной подвеске

MadLev является ветрогенератором на магнитной подвеске, который может генерировать один гигаватт мощности (достаточно для питания 750000 домов) и обеспечивать чистую энергию по цене одного цента за киловатт-час.

Магнитная левитация является очень эффективным методом захвата энергии ветра. Лопасти турбины подвешены на воздушной подушке, а энергия направлена к линейным генераторам с минимальными потерями. Большое преимуществом магнитной подвески в том, что это снижает затраты на обслуживание и повышает срок службы генератора. Производитель утверждает, что он требует меньше земельного пространства, чем сотни обычных турбин. Ветрогенератор MagLev был изобретен Эдом Мазуром в 1981 году. Есть уже несколько MagLev ветряных турбин в в Китае.

M.A.R.S

M.A.R.S является интересным устройством, которое способно использовать энергию ветра (в значительной степени как ветряная мельница) для выработки электроэнергии. Электроэнергия передается на землю по проводу на стальном тросе.

Поскольку М.A.R.S наполняется гелием, он способен летать гораздо выше, чем расположены другие ветровые турбины, чтобы получить доступ к более высоким скоростям ветра. Производство аппарата, мощностью 4,0 кВт уже началось.

Винтовая ветротурбина

Спиральные структурированные ветряные турбины - современная технология ветряных мельниц. Эти удивительные устройства заменят привычные длинные лопасти. Новые ветряные мельницы работают так же, как и старые, но имеют уникальную конструкцию, которая поможет эффективней преобразовывать энергию ветра.

LoopWing

LoopWing - экспериментальный ветрогенератор, разработанный в Японии. Впервые представлен на выставке в 2006 году. Модель Е1500 работает с низким уровнем вибрации, при скорости ветра 16 м/c.

Городские турбины - "Тихая революция"

Многие люди думают, ветряные турбины портят ландшафт. Обычные турбины лучше всего подходят для широких открытых пространств, где есть много ветра. Турбины на вертикальной оси, винтовой конструкции, гораздо лучше подходят для городских условий.

Британская компания подала заявку на разрешение планировочных работ, чтобы построить одну из ветротурбин возле Букингемского дворца.

Турбина "Тихая революция" имеет 5-метровые лопасти, которые могут генерировать 10 кВт-часов энергии, при скорости ветра всего 5,8 метра в секунду. Встроенные светодиоды в каждой S-образных лезвий используются для создания изображений, когда турбина вращается.

Медуза

При высоте всего 36 см, медузы могут генерировать около 40 киловатт-часов в месяц.

Медуза состоит из следующих частей:

Вертикальная ось ветровой турбины

Контроллер

Асинхронный генератор с регулируемой скоростью

Медузы могут работать в самых отдаленных районах, сократив затраты на строительство дорогостоящих линий электропередач. Хотя в использовании микро ветряков нет ничего нового, цена в 400 долларов и простота дизайна делают медузы перспективными.

Шоссейные турбины

Это новый способ захвата части энергии, затрачиваемой транспортными средствами, которые движутся на высоких скоростях по магистралям. Проект разработан в университете штата Аризона. Движение транспортных средств, особенно грузовиков, будут вызывать турбулентность воздуха, поток которого будет приводить в движения турбины.

Анализ показывает, что при скорости движения транспортного средства в 110 км в час каждая турбина может производить 9600 кВт-ч в год.

Для привода ветрового генератора изготовлена турбина роторного типа с вертикальной осью вращения. Этот тип ротора очень прочен и долговечен, имеет относительно небольшую скорость вращения и легко может быть изготовлен в домашних условиях, без канители с аэродинамическим профилем крыла и другими проблемами, связанными с изготовлением рабочего винта для ветрогенератора с горизонтальной осью вращения. Более того, такая турбина работает практически бесшумно и вне зависимости от того, куда дует ветер. Работа практически не зависит от турбулентности и частой смены силы и направления ветра. Для турбины характерны высокие пусковые крутящие моменты, работа при относительно низких скоростях. Эффективность этой турбины небольшая, но для питания устройств небольшой мощности этого достаточно, все окупается простотой и надежностью конструкции.

Электрогенератор

В качестве генератора используется доработанный компактный автомобильный стартер на постоянных магнитах. Выходные данные генератора: переменный ток мощностью 1,0…6,5 вт (в зависимости от скорости ветра).
Вариант переделки стартера в генератор описан в статье:

Изготовление турбины ветрогенератора

Эта ветровая турбина практически ничего не стоит и проста в изготовлении.
Конструкция турбины состоит из двух или более полуцилиндров установленных на вертикальном валу. Ротор вращается за счет различного сопротивления ветру каждой из лопастей, повернутых к ветру с различной кривизной. Эффективность ротора несколько повышается за счет центрального зазора между лопастями, так как некоторое количество воздуха дополнительно воздействует на вторую лопасть при выходе из первой.

Генератор закрепляется на стойке за выходной вал, через который выходит провод с полученным током. Такая конструкция позволяет исключить скользящий контакт для съема тока. Ротор турбины устанавливается на корпус генератора и фиксируется на свободные концы монтажных шпилек.

Из алюминиевого листа толщиной 1,5 мм вырезается диск диаметром 280…330 мм или квадратная пластина, вписанная в этот диаметр.

Относительно центра диска размечаются и сверлятся пять отверстий (одно в центре и 4 по углам пластины) для установки лопастей и два отверстия (симметричные центральному) для закрепления турбины на генератор.

В отверстия, расположенные по углам пластины, устанавливаются небольшие уголки из алюминия, толщиной 1,0…1,5 мм, для закрепления лопастей.

Лопасти турбины изготовим из консервной банки диаметром 160 мм и высотой 160 мм. Банка разрезается вдоль оси пополам, в результате чего получаются две одинаковые лопасти. Края банки после разреза, на ширине 3…5 мм, загнуты на 180 градусов и обжаты для усиления края и исключения острых режущих кромок.

Обе лопасти турбины, со стороны открытой части банки, соединены между собой П-образной перемычкой с отверстием посередине. Перемычка образует зазор шириной 32 мм, между центральной частью лопастей, для повышения эффективности работы ротора.

С противоположной стороны банки (у дна), лопасти соединены между собой перемычкой минимальной длины. При этом зазор шириной 32 мм сохраняется на всей длине лопасти.

Собранный блок лопастей устанавливается и крепится на диск в трех точках - за центральное отверстие перемычки и установленные ранее алюминиевые уголки. Лопасти турбины закрепляются на пластине строго одна против другой.

Для соединения всех деталей можно использовать заклепки, саморезы, винтовое соединение М3 или М4, уголки или применить другие способы.

В отверстия, с другой стороны диска, устанавливается генератор и фиксируется гайками на свободные концы монтажных шпилек.

Для надежного самозапуска ветрогенератора необходимо добавить в турбину второй аналогичный ярус лопастей. При этом лопасти второго яруса смещаются по оси относительно лопастей первого яруса на угол 90 градусов. В итоге получится четырехлопастной ротор. Это гарантирует, что всегда есть, по крайней мере, одна лопасть, которая в состоянии поймать ветер и дать турбине толчок для вращения.

Для уменьшения размеров ветрогенератора, второй ярус лопастей турбины можно изготовить и закрепить вокруг генератора. Изготовим две лопасти шириной 100 мм (высота генератора), длиной 240 мм (аналогично длине лопасти первого яруса) из алюминиевого листа толщиной 1,0 мм. Лопасти изогнем по радиусу 80 мм, аналогично лопастей первого яруса.

Каждая лопасть второго (нижнего) яруса закрепляется с помощью двух уголков.
Один установлен в свободное отверстие на периферии диска, аналогично креплению лопастей верхнего яруса, но со сдвигом на угол 90 градусов. Второй уголок закрепляется на шпильку устанавливаемого генератора. На фото, для наглядности крепления лопастей нижнего яруса, генератор снят.

Ветряная турбина – это основная часть ветрового генератора, у которого в качестве устройства, служащего приемником энергии ветра, является турбина. Один из вариантов подобных устройств — это корпус в виде цилиндра, во внутреннем пространстве которого размещены лопасти.

Ветровые установки, изготовленные на основе ветровых турбин, отличаются более высоким КПД, по сравнению с лопастными, а также простотой конструкции и надежностью в эксплуатации.

Основные характеристики

Как у любого технического устройства, так и у воздушной турбины, параметрами, классифицирующими ее возможности, а также дающими информацию о той или иной модели, служат ее технические характеристики.

Основными техническими характеристиками, для подобных устройств, являются:

1. Номинальная выходная мощность, измеряемая в кВт.
2. Номинальное выпрямленное напряжение, которое вырабатывает генератор при определенной частоте вращения ротора установки.
3. Частота создаваемого напряжения, измеряемая в Гц.
4. Частота вращения ротора, в рабочем режиме, при которой создается номинальное выпрямленное напряжение. Измеряется в оборотах в минуту.
5. Номинальная частота вращения, при которой ветровая турбина соответствует заявленной мощности. Измеряется в оборотах в минуту.
6. Угонная скорость, измеряется в оборотах в минуту и классифицирует предельную возможность агрегата, работать с определенной частотой вращения.
7. Режим работы, в котором та или иная модель устройства, способна работать заданное время (продолжительный, цикличный, кратковременный и т.д.).
8. Уровень производимого шума (звука) при работе конкретной модели, измеряется в Дб.
9. КПД устройства.
10. Вид охлаждения узлов и механизмов.
11. Способ установки и монтажа.
12. Габаритные размеры.
13. Масса агрегата.

Конструктивные особенности ветровой турбины

Ветровые генераторы, оснащенные ветровой турбиной, представляют их себя цилиндр, внутри которого размещены лопасти. Наличие наружного контура, вокруг лопастей, обеспечивает им защиту от попадания в них посторонних предметов и живых организмов.

Отсутствие необходимости в устройстве хвостовой части (для ориентации по отношению к направлению ветра), снижает вес и габариты устройства, а также облегчает монтаж и его эксплуатацию. Корпус, в виде цилиндра, самостоятельно ориентируется по направлению ветровых потоков, и работая, по сути, как сопло, увеличивает давление на установленные лопасти, тем самым повышая КПД ветрового генератора.

Как рассчитать правильно

Основным показателем, определяющим выбор той или иной модели, является способность вырабатывать электрическую энергию, которая измеряется в киловатт*часах в единицу времени.

Количество вырабатываемой энергии, напрямую связано с мощностью установки, которая является главной технической характеристикой агрегата, поэтому расчет ветровой турбины, определяет ее геометрические размеры, количество устанавливаемых лопастей и высоту установки над поверхностью земли.

Мощность электрического генератора, который определяет способность ветровой установки вырабатывать электрический ток, зависит от ветрового потока, мощность которого, в соответствии с эффективностью турбины, можно рассчитать по формуле:

P=KxRxV 3 xS/2

Р – мощность воздушного потока;

К – коэффициент, учитывающий эффективность турбины, имеет значение от 0,2 до 0,5 единиц;

R – плотность воздуха, составляет 1,225 кг/м 3 (при нормальном атмосферном давлении);

V- скорость потоков воздуха, измеряется в м/с;

S – площадь охвата ветровой турбины (ветрового потока, работающего с установкой).

Из приведенной формулы видно, что мощность ветрового потока, а, следовательно, и мощность генератора, напрямую зависит от диаметра ветровой турбины (S= π R 2).

Зная скорость воздушных потоков в месте монтажа установки, и ее диаметр, можно определить мощность установки и ее способность вырабатывать электрическую энергию.

Виды ветряных турбин

Хотя изначально считалось, что ветряная установка с ветровой турбиной предполагает ее установку только в горизонтальной плоскости, что характеризует ветровые генераторы с горизонтальной осью вращения, тем не менее, конструкторы разработали новые варианты подобных устройств, которыми являются:

• Ветряная турбина с вертикальной осью вращения

В установках подобного типа, цилиндр турбины располагается вертикально, а лопасти находятся в плоскости, перпендикулярной поверхности земли.

Работа ветровых турбин, с вертикальной осью вращения, аналогична работе устройств, с горизонтально расположенной осью вращения.

• Ветряная турбина без лопастей

Наличие лопастей у ветровых установок различной конструкции, приводит к тому, что для их монтажа требуются значительные площади, даже если это и ветровые турбины, размещенные в жестком корпусе. В связи с этим, новым направлением в развитии ветровых установок, стало строительство подобных устройств с использованием ветряных турбин, в которых отсутствуют лопасти.

Подобная конструкция представляет из себя столб, внутри которого размещены металлические диски. Диски крепятся на валу и расположены параллельно друг другу, между ними установлены специальные прокладки. При попадании воздуха на прокладки они приходят в движение и придают определенный и направленный импульс металлическим дискам, под действием которого диски начинают вращаться. Под воздействием вращательного движения дисков, начинает вращаться стержень, который в свою очередь, передает свое вращательное движение на вал генератора.

• Ветряная турбина для крыши

Интерес к возможности обеспечить себя бесплатной электрической энергией, при этом не создавая проблем окружающим, даже в условиях города, привел к тому, что была разработана конструкция ветровой турбины, которую можно установить на крыше любого здания.

Подобная установка имеет не большие габаритные размеры, малый вес, а при работе практически бесшумна. Наружный корпус устройства выполнен в виде улитки, что позволяет усиливать поток ветра в нужном направлении и ориентироваться в пространстве, в соответствии с его направлением.

Популярные модели и марки

Среди многообразия ветровых турбин, выпускаемых в разных технически развитых странах, наибольшей популярностью пользуются следующие:

• Турбина, разработанная специалистами компании F iddler (США), предназначена индивидуального использования и предполагает установку на крыше жилого дома или иного сооружения индивидуального использования.

Данная модель оснащена электронным блоком, при помощи которого с использованием специальных мобильных приложений, возможно осуществлять контроль за работой устройства на удаленном расстоянии.

Ветровая установка работает в паре с аккумулятором, устанавливаемом внутри здания. Крепежные элементы предполагают монтаж на коньке крыши, что позволяет увеличить количество ветровых потоков, улавливаемых турбиной. Уровень шума, при работе устройства, сведен к минимуму, что позволяет не создавать дискомфорта жильцам, проживающим внутри здания, на котором монтируется агрегат.

• • Турбина модели «Liam F1» разработана в Голландии компанией The Archimedes, имеет малы вес (до 80,0 кг) и предполагает установку на крыше здания или иной, отдельно стоящей опоре. Конструкция приемного блока, в виде улитки, позволяет увеличить КПД ветровой установки и всегда находиться в плоскости движения потоков ветра.
  • 
    
  • Уровень шума, при работе, очень низкий, что позволяет выполнять монтаж в любом удобном для этого месте.

  • Средние цены

    Оборудование, используемое в альтернативной энергетике, в том числе и в ветровых установках, стоит не дешево. Это связано с тем, что как правило, новые модели выпускаются в штучном исполнении, а то, что уже поставлено не поток, не реализуется в массовом порядке, что обусловлено тем, что данный способ получения энергии еще не нашел широкого распространения среди пользователей.

    Стоимость выше рассмотренных установок составляет:

    • Модель «Liam F1», реализуется в странах Евросоюза и Америки, ее стоимость – от 4000,0 евро.
    • Данные о стоимости модели американской компании Fiddler отсутствуют, но в связи с ее комплектацией и подачей на рынке подобных устройств, можно с уверенностью говорить, что цена установки не ниже, у голландских разработчиков.

    Плюсы и минусы

    Простота и надежность ветровых генераторов, изготовленных с использованием ветровой турбины, не единственные достоинства этих агрегатов. Кроме этого, к плюсам применения ветровых турбин относятся:

    • Способность работать при малых потоках ветра, со скоростью от 2,0 м/с.
    • Высокая чувствительность по отношению к ветровым потокам.
    • Способность работать при сильных, ураганных скоростях воздушных потоков, до 60,0 м/с.
    • При одних и тех же габаритных размерах, ветровой генератор оснащенной турбиной, обладает большей мощностью и более высоким КПД, в сравнении с лопастными установками.
    • Турбина является безопасным техническим устройством для животного мира, обитающего в месте установки агрегата (птицы, летучие мыши).
    • При работе турбины не производится инфразвук, вредный для человека и животных.
    • Более низкая стоимость в сравнении с лопастными конструкциями.
    • Легкость выполнения монтажных работ, обусловленная сборкой основных элементов в заводских условиях.
    • Простота и удобство обслуживания.
    • Продолжительные сроки эксплуатации.

    Недостатками подобных устройств, являются:

    • Ветер, это атмосферное явление, которое не подвластно человеку, поэтому нельзя прогнозировать, на длительный период, силу его потока и направление движения;
    • В связи с переменчивостью силы ветрового потока, необходимо предусматривать значительные электрические емкости для накопления выработанной энергии;
    • Высокая стоимость комплекта оборудования;
    • Перед установкой ветровых установок большой мощности необходимо проводить расчет экономической целесообразности в увязке с картой ветров выбранного региона.

    Где купить

    Ветровой генератор, а соответственно и отдельно взятый элемент из этой установки, которым является ветровая турбина, это специфический товар. Поэтому лучше всего, при желании приобрести подобную технику, обратиться в компанию, которая специализируется на реализации именно подобных установок.

    Выбор подобной организации позволит избежать ошибок при подборе необходимой модели, к тому же, специалисты смогут оказать помощь с монтажом и последующим обслуживанием приобретаемого агрегата.

    Кроме этого, можно воспользоваться интернет ресурсами, где представлен широкий круг компаний, предлагающих к реализации товары именно в этом сегменте устройств, но это как правило продукция китайских производителей, к качеству которой много претензий. К тому же, приобретая сложную технику, каковой являются ветровые турбины, через интернет, отсутствует возможность вернуть не качественный товар и получить квалифицированную помощь.

    В силу того, что ветровую турбину, расположенную в замкнутом пространстве (цилиндре), изготовить самостоятельно достаточно сложно, этим занимаются профессиональные конструкторы и инженеры, то своими руками, из подручных средств, можно изготовить турбину для ветровой установки с вертикальной осью вращения.

    Для этого понадобятся следующие материалы:

    1. Труба из прочного пластика наибольшего диаметра, из того, что есть в наличии.
    2. Листовая фанера толщиной 10,0 — 12,0 мм;
    3. Саморезы по дереву;
    4. Металлическая шпилька диаметром 12,0 – 16,0 мм;
    5. Гайки и шайбы, соответствующие по диаметру имеющейся шпильке;
    6. Автомобильная ступица, в сборе с подшипником.

    и инструмент:

    1. Режущий инструмент: ножовка, «болгарка» с отрезными кругами, лобзик, нож;
    2. Шлифовальный инструмент: «болгарка» с зачистными кругами, напильники, наждачная бумага;
    3. Набор гаечных ключей и отверток;
    4. Шуруповерт.

    Конструкция, которая должна получится в результате проделанной работы, и схема ее работы, представлены на ниже приведенной схеме:

• Работы выполняются следующим образом:
  • Из имеющейся трубы изготавливается заготовка, для этого труба отрезается требуемой длины (около 1,0 метра), после чего разрезается вдоль, по своей оси. В результате получается 2-е равные по длине и длине дуги, половинки.
  • Из фанеры, в соответствии с диаметром трубы, нарезаются два круга, после чего, по диаметру, они делятся на две части. В результате получается четыре заготовки в виде полукруга.
  • Заготовки из фанеры устанавливаются во внутрь заготовок из трубы, в верхней и нижней части каждой из них. Крепление выполнятся с помощью саморезов. В результате получается два полубочонка.
  • Полученные полубочонки соединяются между собой, с таким расчетом, чтобы они налегали один на другой. Кроме этого, в местах налегания, необходимо выбрать сегмент (на схеме не показано), для того, чтобы они, как бы вошли внутрь друг друга. Глубина выбираемого сегмента не менее 50,0 мм, длина может быть произвольной.
  • Из фанеры вырезается 2 круга, диаметром 100,0 мм, которые, также с помощью заморезов закрепляются сверху и снизу соединяемых полубочонков. В результате получается жестко соединенная конструкция.
  • В середине получаемого воображаемого круга, а это должна быть точка где выбраны сегменты (поверх закрепленных кругов из фанеры), делается отверстие, в соответствии с диаметром имеющейся шпильки. Отверстия делаются в верхней и нижней частях заготовок.
  • В отверстия вставляется шпилька, которая посредством установки шайб и гаек, закрепляется в собираемой конструкции.
  • Для имеющейся автомобильной ступицы, в соответствии с внутренним диаметром подшипника, и диаметром шпильки, изготавливается втулка. Втулка запрессовывается в подшипник, после чего на нее надевается шпилька, которая дополнительно закрепляется с помощью гаек.

  Для полной готовности ветровой установки, на шпильку, ниже расположения ступицы, необходимо установить шкив, посредством которого вращательное движение с турбины будет передаваться на электрический генератор, и выполнить установку собранной турбины, в месте, выбранном для монтажа.